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1、摘 要本论文设计的是为冶金工业中用来提高镐基合金性能的设备提供必要条件的系统真空获得系统，设计主要包括：溶炼室真空机组、熔渗室真空机组、快淬室真空机组的设计等等。真空获得技术是一切真空应用的技术基础,真空获得设备关系到所有真空应用设备的运行和使用。为了满足设备可以在高真空的条件下工作，所以选择合适的机械泵，罗茨泵，分子泵组成合适的真空机组，使各真空室达到工作的真空条件。在设计中，为了使溶炼室、熔炼室达到高真空选择机械泵与罗茨泵组成前级泵机组进行预抽达到粗真空，分子泵为高级泵即主抽泵。快淬室在低真空条件下工作选择机械泵、罗茨泵进行抽真空。密封方面，采用了机械密封，密封性能可靠。关键词：真空机组；
2、机械泵；罗茨泵；分子泵；粗真空；高真空AbstractThis thesis is for the metallurgical industry to improve the Ho-based alloys to provide the necessary conditions for the system equipmentVacuum access system，Design includes：Smelting chamber vacuum unit、Infiltration chamber vacuum unit、Quenching chamber vacuum unit design
3、and others。Vacuum access to technology is the technical foundation for all vacuum applications，Vacuum obtain equipment related to the operation of all vacuum equipment and the use of。To meet the device can work under high vacuum conditions，So choose a suitable mechanical pumps, Roots pumps, molecula
4、r composition of a suitable vacuum pump unit，So that the work of the vacuum chamber to vacuum conditions。In the design，In order to smelting room, select the melting chamber to high vacuum mechanical pump and Roots pump before the pump unit composed of pre-pumping to rough vacuum，High molecular pump
5、that is the main pumping pumps。Quenched room to work in low vacuum conditions select mechanical pump, Roots vacuum pump。Seal, the use of mechanical seals, sealing performance and reliable。Keywords：Vacuum unit; mechanical pump; Roots pump; molecular pump; rough vacuum; high vacuum 45目 录1 绪论11.1 非晶合金发
6、展概述11.2 Zr基非晶合金的性能21.2.1 力学性能21.2.2 耐腐蚀性能41.2.3 加工性能41.3 真空获得设备发展概述41.3.1 真空技术发展简介41.3.2 综合评价52 锆基非晶合金真空熔炼压力熔渗炉真空系统设计62.1 工作原理及主要技术性能指标62.2 真空获得系统72.2.1 真空机组选用原则72.2.2 真空泵工作压力范围82.2.3 旋片泵工作原理及其型号确定102.2.4 罗茨泵工作原理及其型号确定错误!未定义书签。2.2.5 罗茨泵真空机组抽气速率222.2.6 分子泵工作原理及其型号确定233 熔炼室壳体计算284 熔渗炉的壳体设计与壁厚计算294.1 壳
7、体壁厚计算294.2 筒体上部大法兰的设计计算335 真空室抽气时间计算335.1 气体沿管道流动状态及流导计算335.2 抽气时间计算385.2.1 粗真空、低真空下抽气时间385.2.2 高真空下抽气时间计算406 结论427 致谢438 参考文献441 绪 论1.1 非晶合金发展概述非晶态合金不具备长程原子有序，也叫玻璃态合金，是新型材料研究的热点之一。非晶合金具有优异的力学性能（高的强度、硬度等），耐腐蚀性能，软、硬磁性能以及储氢性能等，在机械、通讯、航空航天、汽车工业乃至国防军事上都具有广泛的应用潜力。因此，开发块体非晶合金成为这类材料实用化的重点。1943年，德国物理学家Krame
8、r用蒸发沉积的方法成功制备出了非晶态薄膜，自此，非晶的研究逐步开展。1951年，美国物理学家Turnbull通过水银的过冷实验，提出液态金属可以过冷到远离平衡熔点以下而不产生形核与长大，达到非晶态，Turnbull是非晶态合金的理论奠基人。1960年Duwe等采用熔体快速冷却方法首先制备出Au-Si非晶态合金。1969年，Pond等用扎辊发制备出了长达几十米的非晶薄带。20世纪70年代后，人们制备出厚度小于50m、宽15cm的连续非晶薄带。1974年Chen在约10K/s的冷却速度条件下用Pd-Cu-Si熔体首次得到毫米级直径的非晶。20世纪80年代前期，Turnbull等采用氧化物包覆技术以
9、10K/s的冷却速度制备出厘米级的Pd-Ni-P非晶。20世纪80年代，A.Inoue等在日本东北大学成功发现了La-Al-Ni和La-Al-Cu等三元合金。此后，又制备了厘米级的四元和五元块体非晶合金。2000年Inoue课题组成功发展了高强度Cu-Zr-Hf-Ti和Co-Fe-Ta-B快体非晶合金。2003年，美国橡树岭国家实验室Lu和Liu使Fe基非晶合金的尺寸从过去的毫米推进到厘米级，最大直径可达12mm。此后哈工大沈军等又将Fe基快体非晶合金尺寸提高到16mm。最近，中科院金属所的Ma等发现了尺寸可达25mm的Mg-Cu-Ag-Pd非晶态合金。目前世界上最大的稀土基金属玻璃材料直径为
10、35mm的镧基金属玻璃系，由浙江大学蒋建中等研制成功。由此，发现具有大的非晶形成能力的非晶合金系是目前比较重要的。锆基非晶合金作为一种新型的非晶合金系列在近年来引起了人们的关注。多组元锆基非晶合金系列都具有较低的临界冷却速度，采用传统的方法如吸铸法，水淬法等均可以将其制备成大块非晶。目前，通过负压铸造法已制备出直径达30mm的锆基大块非晶合金。锆基非晶合金的研究主要集中在热力学计算、晶化行为、短程和中程有序结构以及性能等几个方面。锆基多组元非晶合金由多种常用金属或类金属元素组成，其非晶形成的临界冷却速度远低于传统非晶合金，有些已经接近于传统的氧化物玻璃。由于其具有热稳定性高、过冷液相区宽等诸多
11、特点，因此在国际上引起了广泛重视。1.2 Zr基非晶合金的性能1.2.1 力学性能非晶合金的原子呈长程无序排列、没有晶体缺陷, 使其具有独特的变形行为和力学性能。一些典型锆基非晶合金的力学性能如表1.1所示。表1.1 Zr 基非晶合金的典型力学性能1.2.1.1 弹性虽然块状非晶合金的弹性模量由于合金体系的不同而有较大差别，但与相同成分的晶态合金相比他们的弹性模数值较低，弹性应变量却很大，可达2%左右。Zr 基非晶合金具有极高的弹性比例，Howmen 公司已成功开发出Zr基非晶合金的高尔夫球杆。表1.2为典型Zr 基非晶合金的杨氏模量和断裂强度。表1.2 Zr 基大块非晶合金的杨氏模量和强度1
12、.2.1.2 强度和硬度图1.1 为Zr基非晶合金与La-、Mg-、Pd-、Fe-基非晶合金, 以及一些典型的晶态合金的抗拉强度、硬度与弹性模量间的关系。可以看出, Zr 基非晶合金具有较高的屈服强度和硬度, 远高于晶态合金。铸态 非晶合金的屈服强度为1.56GPa, 断裂强度为1.65 Gpa； (x=7.5%12.5%)块体非晶合金的压缩断裂强度和硬度分别1.731.86 GPa 和693824 HV, 并随Ti含量的增加而提高；经高强脉冲电流预处理的 大块非晶在不发生晶化的条件下其抗压强度最高达2.02GPa。可见Zr基大块非晶合金的强度仍有进一步提高的潜力。对非晶合金的动态压缩试验表明
13、, 在高应变速率(10/s)下, 屈服强度对应变速率不敏感。Bruck 等人发现, 试样的长径比对 非晶合金的压缩屈服强度有较大影响。但在动态载荷作用下,压缩强度对长径比的变化不敏感。大块非晶合金的强度还受制备方法的影响。如采用压铸法和铜模法制备的Zr-Al-Ni-Cu 非晶合金的弯曲强度, 前者要比后者高得多, 这是由于这两种方法在冷却过程中造成的残余应力差别很大的缘故。Liu 等研究了一系列试验环境下的拉伸和压缩行为, 结果表明试验环境并不影响块状非晶合金的强度和韧性。1.2.1.3 塑性和韧性室温下非晶合金一般呈现脆性断裂特征, 塑性变形量主要由应力状态决定。在拉伸条件下, 非晶合金的变
14、形局限于一狭窄的剪切带内, 塑性变形也集中于剪切带内, 而在试样其他部分仍保持刚性状态。在弯曲条件下可产生多个剪切带, 相应地增大了伸长率。Conner 等人和Gilbert 等人最早对块状 非晶合金的断裂韧性()进行了测试。采用三点弯曲法, 试样的厚度为2.2mm,测得约55。相当于高强钢和Ti 合金的水平。2001 年,Xing采用真空吸铸法制备出3mm 的非晶合金, 压缩时的塑性变形为4.9%左右。2005 年, Jayanta研制出具有超高强度和较高塑性的CuZr 非晶合金材料, 断裂强度达2265 MPa, 同时具有一般非晶材料中不具备的加工硬化效应和极大的延展性(延展率达20%)；
15、随后,Wang在2007 年研制出非晶合金, 它在室温条件下同时具有超高塑性, 延展率达160%。1.2.2 耐腐蚀性能在腐蚀过程中, 由于晶体具有晶界、位错和偏析等缺陷, 不易生成稳定的钝化膜, 成为腐蚀的源区。非晶合金没有这些缺陷和不均匀性, 能够形成均匀钝化膜, 因此, 非晶合金具有良好的耐腐蚀性能。Zr 基非晶合金比晶体合金更耐腐蚀, 它的耐腐蚀性是不锈钢的100 倍, 有“超不锈钢”的美誉。含有少量铌或钛的 非晶合金, 在NaC1 溶液中的具有良好的抗腐蚀性能。 铸态非晶合金在水中具有良好的耐腐蚀性能, 但随水温的升高, 其耐腐蚀性能有所下降, 这主要是由于在室温时, 非晶合金表面形成一层致密的保护膜, 而随着水温的升高膜越来越厚并形成多孔结构。1.2.3 加工性能非晶合金的塑性变形量受温度和应力状态影响很大, 在温度低于玻璃转变点Tg 时, 非晶合金以剪切方式变形。由于多数块状非晶合金都存在大的过冷液相区, 当过冷液体的黏度达到Pas 数量级时, 过冷液体形成类似于氧化物玻璃的无序结构, 表现为牛顿流动状态, 可在较宽的应变率范围内发生黏性流动, 获得极高的塑性形成能力。1.3 真空获得设备发展概述1.3.1 真空技术发展简介随着真空技术在各行各业应用的日益宽
